JP5030625B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、気密封止された半導体レーザ装置に関する。

気密封止されたパッケージ内に半導体レーザ素子が設けられた半導体レーザ装置が知られている。このような半導体レーザ装置では、パッケージ内の雰囲気に含まれる水分によって、半導体レーザ素子を構成する材料等が化学変化を起こし、半導体レーザ素子の特性が劣化するために、半導体レーザ装置の特性が低下してしまうという問題があった。

そこで、特許文献１には、加熱等によって水分濃度の低くした窒素雰囲気中で、パッケージを気密封止することにより、パッケージ内の水分濃度を低く（１０^５ｐｐｍ以下）することが可能な半導体レーザ装置が開示されている。このように、パッケージ内の水分濃度を低くすることによって、特許文献１の半導体レーザ装置では、駆動電流に対するレーザ発振の安定性をある程度向上させている。また、特許文献２には、パッケージ内の水分濃度を５０００ｐｐｍ以下にした技術も開示されている。
特開２００３−１１０１８０号公報 特開平８−２３６６６０号公報

しかしながら、上記特許文献１及び２の半導体レーザ装置では、パッケージ内の水分濃度を１０^５ｐｐｍ及び５０００ｐｐｍ以下にしているが、このように水分濃度を減らしただけでは半導体レーザ素子の素子特性の低下を抑制することはできなかった。即ち、本願発明者等が鋭意検討したところによれば、単にパッケージ内の水分濃度を減らしただけの半導体レーザ装置では、長時間駆動した後における半導体レーザ素子の駆動電流が大きく上昇することが判明した。このため半導体レーザ装置を駆動するための駆動電流が大きく上昇するという課題があった。

また、このように駆動電流が大きくなるとこれに伴い発生する熱も増加するために、熱影響に因る半導体レーザ素子の特性の劣化も生じ、これに伴い半導体レーザ装置の特性が低下するという課題があった。

そして、このような課題は高い出力が要求される、ＨＤ ＤＶＤやＢｌｕ−ｒａｙ等の高密度記録用光ディスクに使用される青色・青紫色半導体レーザ素子で特に顕著に生じていた。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、長時間半導体レーザ素子を駆動しても、駆動電流の増加を抑制することができる半導体レーザ装置を提供することを目的としている。

本発明に係る半導体レーザ装置は、気密封止するためのパッケージと、前記パッケージ内に設けられた半導体レーザ素子とを備えた半導体レーザ装置において、前記パッケージの内部の水分濃度が、２５００ｐｐｍ以下であり、前記パッケージの内面の少なくとも一部の算術平均粗さが、０．３μｍ以下であることを特徴とする。尚、ここでいうパッケージの内面とは、半導体レーザ素子が配されているパッケージ内の内部空間に露出する面を指している。従って、例えばメッキ等の方法により形成された薄膜が内部空間に露出している場合には、パッケージの内面とはこの薄膜の露出面を含む概念である。また、算術平均粗さＲａとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４規格によるものである。

また、前記パッケージの内面の少なくとも一部の算術平均粗さが、０．１μｍ以下であることを特徴とする。

さらには、前記半導体レーザ素子が、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体を含む発光層を有することを特徴とする。ＡｌＧａＩｎＮ系半導体を含む発光層を有する半導体レーザ素子は、３８０ｎｍ〜４８０ｎｍの青・青紫色の波長の光を発振する。ここで、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体とは、Ｎを含み、且つＡｌ、Ｇａ及びＩｎのうち１以上の元素を含む半導体であり、ＡｌＧａＩｎＮ、ＧａＩｎＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＩｎＮを含む半導体である。この中でも、特にＩｎを含む半導体からなる発光層を有することが好ましい。

加えて、前記半導体レーザ素子が、５０ｍＷ以上の出力で駆動される素子であることを特徴とする。

本発明に係る半導体レーザ装置は、パッケージ内部の水分濃度を２５００ｐｐｍ以下とすると共に、パッケージの内面に算術平均粗さを０．３μｍ以下とした部分を含んでいる。従って、本発明によれば半導体レーザ素子を長時間駆動した場合に生じる、パッケージ内の水分に起因する駆動電流の上昇及びこれに伴う発熱を低減することが可能となり、長時間駆動後も安定して良好な特性を有する半導体レーザ装置を提供することができる。

また、本発明は、ＨＤ ＤＶＤやＢｌｕ−ｒａｙ用光ディスク等の大容量記録媒体へのデータ記録用または再生用の用途に用いられる半導体レーザ装置に、特に好適である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ装置の全体構成図である。

図１に示すように、半導体レーザ装置１は、パッケージ２と、サブマウント３と、半導体レーザ素子４とを備えている。

パッケージ２は、キャップ１１と、窓部材１２と、ステム１３とを備えている。

キャップ１１は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含むコバールからなり、表面には酸化防止用のＮｉ／Ａｕがメッキされている。キャップ１１の上面部には、半導体レーザ素子４により発光された光を外部へ照射するための開口部１１ａが形成されている。この開口部１１ａを塞ぐように、後述する窓部材１２が設けられている。

なお、キャップ１１は、Ｆｅ及びＮｉを含む合金からなり、酸化防止用のＮｉ／Ａｕがメッキされていてもよい。また、キャップ１１は、低融点ガラス（例えば、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｔｉ及びＢを含む酸化物）によって構成されていてもよい。

窓部材１２は、ほうケイ酸ガラスなどのように、半導体レーザ素子４に発光された光を透過可能な材料によって構成される。

ステム１３は、上面にパッケージ２の内部に突出して設けられた突起部１３ａを有している。ステム１３は、Ｆｅ及びＣｕによって構成されており、Ｆｅ−Ｃｕ−Ｆｅ構造（ＣｕをＦｅで挟む構造）を有する。ステム１３の表面には、酸化防止用のＮｉ／Ａｕがメッキされている。

なお、ステム１３は、Ｆｅのみによって構成されていてもよい。また、ステム１３は、主としてＦｅによって構成されており、ヒートシンクとして機能する部分（突起部１３ａの一部）がＣｕによって構成されていてもよい。

ステム１３には、リードピン１５及びリードピン１８が設けられている。リードピン１５及びリードピン１８は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含むコバールによって構成される。リードピン１５及びリードピン１８の表面には、酸化防止用のＮｉ／Ａｕがメッキされている。

なお、リードピン１５及びリードピン１８は、Ｆｅ及びＮｉを含む合金によって構成されていてもよい。

ここで、ステム１３の上面とキャップ１１の底面とは、溶接によって接合されている。これによって、窓部材１２が設けられたキャップ１１とステム１３とによってパッケージ２の内部が気密封止されている。

ここで、本発明の半導体レーザ装置１では、パッケージ２の内部の水分濃度が２５００ｐｐｍ以下に設定されている。また、キャップ１１の内面は、算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下、好ましくは０．１μｍ以下となるように形成されている。

ここで算術平均粗さＲａについて図２を参照して説明する。図２は、表面の所定の領域の凹凸の模式図である。算術平均粗さＲａは、オリンパス社製の走査型共焦点レーザ顕微鏡装置（ＯＬＳ３０００型）を用いて、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４規格やＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１規格などに準拠して算出される。以下においては、これらの規格と相違する点について主として説明する。

（１） 走査型共焦点レーザ顕微鏡装置で取得した生画像に対して、高さノイズ除去フィルタをかける。高さノイズ除去フィルタは、サンプルからの反射光が少ないため、高さのデータが十分に取得できなかった場合に、十分に取得できなかった高さのデータを、十分に取得できた高さのデータによって補うためのフィルタである。

（２） 続いて、走査型共焦点レーザ顕微鏡装置で取得した生画像に対して、平滑化補正フィルタをかける。平滑化補正フィルタは、突発的なノイズが生じた場合に、突発的なノイズが生じた画素と突発的なノイズが生じた画素の周辺画素とを関連付けて、突発的なノイズが生じた画素の高さデータを周辺画素の高さデータによって平滑化するためのフィルタである。この場合において、関連付け及び平滑化は、５画素×５画素の単位で行われる。

以下において、このようにして取得された高さデータ、すなわち、粗さ曲線に基づいて、算術平均粗さＲａを算出する方法について、図２を参照しながら説明する。

図２に示すように、粗さ曲線の平均線の方向に基準長さＬだけ粗さ曲線を抜き出す。基準長さＬは、走査型共焦点レーザ顕微鏡装置で取得した生画像の視野幅（約１００μｍ）である。続いて、抜き出された粗さ曲線と平均線との偏差（ｆ（ｘ））の絶対値を合計した上で、偏差（ｆ（ｘ））の絶対値の合計を平均化する。具体的には、算術平均粗さＲａは、以下の式によって算出される。

図１に示すように、サブマウント３は、ＡｌＮからなり、ステム１３の突起部１３ａに設けられている。

半導体レーザ素子４は、特に限定されるものではなく、赤色半導体レーザ素子、赤外半導体レーザ素子、青・青紫色半導体レーザ素子等の半導体レーザ素子を用いることができる。本実施形態では、半導体レーザ素子４として、窒化物半導体系の材料からなる青・青紫色半導体レーザ素子を用いた場合について説明する。半導体レーザ素子４は、サブマウント３の側面に光の出射方向を窓部材１２に向けて設けられている。半導体レーザ素子４の一方の側面は、ワイヤー１６及びステム１３の突起部１３ａの表面に形成された金属膜（図示略）を介してリードピン１５に接続されている。また、半導体レーザ素子４の他方の側面は、サブマウント３の側面に形成された金属膜（図示略）及びワイヤー１７を介してリードピン１８に接続されている。半導体レーザ素子４の下面には、ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２が５ペア積層された端面コート４ａが形成されると共に、半導体レーザ素子４の上面には、ＳｉＯ_２からなる端面コート４ｂがスパッタ成膜によって形成されている。

上記半導体レーザ装置１では、１対のリードピン１５、１８の間に電圧が印加されると、半導体レーザ素子４に電子と正孔が注入されて、半導体レーザ素子４の活性層（図示略）で光が発光される。発光された光は、端面コート４ａ及び４ｂの間に反射された後、端面コート４ｂからレーザ光が照射され、窓部材１２を介して外部に出射される。

次に、上記半導体レーザ装置の製造工程を説明する。

まず、キャップ１１の内面をプレス加工、若しくは、切削加工によって、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを約０．５μｍ程度にする。

次に、上述のキャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを更に小さくするために、化学研磨処理を行う。具体的には、キャップ１１を化学研磨液に浸すことによって、キャップ１１を構成するコバールの表面を均一に腐食させる。これによって、キャップ１１の内部表面に形成されている凹凸が溶解されて、平滑化される。尚、この化学研磨処理に使用される化学研磨液及びその設定温度、処理時間の一例を以下の表１に示す。

次に、更に、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを小さくするために、電界研磨処理を行う。図３は、電解研磨処理装置の概略図である。図３に示すように、電界研磨処理では、まず、直流電源３１に接続されて電界研磨液３２に浸されたキャップ１１を陽極とし、直流電源３１に接続されて電界研磨液３２に浸された陰極３３を準備する。この状態で、ホットプレート３４によって電界研磨液３２を加熱しつつ、直流電源３１によってキャップ１１と陰極３３との間に電圧を印加する。これによって、キャップ１１の表面の凸部が優先的に溶解されて、化学研磨よりも更にキャップ１１の表面が平滑化される。尚、電界研磨処理に使用する電界研磨液の組成、流す電流密度、設定温度、処理時間の一例は、以下の表２に示す通りである。

尚、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａは、オリンパス社製の走査型共焦点レーザ顕微鏡装置（ＯＬＳ３０００型）を用いて観測及び測定した。

次に、窓部材１２が固着されたキャップ１１と、サブマウント３及び半導体レーザ素子４が半田によって固着されたステム１３とを密閉された封止室に挿入する。この状態で、封止室に窒素（Ｎ_２）を１２時間以上パージし続けることによって、封止室内の雰囲気の水分濃度を約４０００ｐｐｍまで下げる。次に、約２００℃の温度で３０分以上、キャップ１１及びステム１３が導入された封止室内をベーキングすることにより、封止室内の雰囲気の水分濃度を約２５００ｐｐｍ以下にする。この状態で、キャップ１１をステム１３に溶接することによって、図１に示す半導体レーザ装置１が完成する。尚、パッケージ２内の水分濃度は、一度溶接を行った半導体レーザ装置１を真空中で破断させて、パッケージ２内から放出させたガスを独国バルザース社製の四重極質量分析器（ＱＭＧ４２１Ｃ型）によって計測することによって測定した。

本実施形態の半導体レーザ装置１は、上述したようにパッケージ２の内部の水分濃度を約２５００ｐｐｍ以下とすると共に、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを約０．３μｍ以下、好ましくは約０．１μｍ以下としている。この結果、半導体レーザ素子４を長時間駆動した場合に生じる、パッケージ２内の水分に起因する駆動電流の上昇及びこれに伴う発熱を低減することが可能となり、長時間駆動後も安定して良好な特性を有する半導体レーザ装置１を提供することができる。

更に、半導体レーザ素子４の駆動を停止した後、パッケージ２内が低温になっても、窓部材１２に水分が結露することを抑制することができる。

以下、上述した本発明による半導体レーザ装置の効果を証明するために行った実験について説明する。尚、半導体レーザ素子としては窒化物系半導体からなる発光波長が約４０５ｎｍの半導体レーザ素子を用いた。

まず、本発明によるパッケージ２内の水分濃度を約２５００ｐｐｍに設定した半導体レーザ装置１と、比較用として作製したパッケージ２内の水分濃度を約５０００ｐｐｍに設定した半導体レーザ装置１のそれぞれについて、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａが異なる半導体レーザ装置１を作製した。その作製した半導体レーザ装置１について、それぞれ、７０℃に温度設定した状態で、５０ｍＷで１００時間出力させた。そして、駆動時間が０時間の時の駆動電流を基準とした１００時間後の駆動電流の上昇率（％）を調べた。その結果を図４に示す。尚、図４において、○は、パッケージ２内の水分濃度を５０００ｐｐｍに設定した半導体レーザ装置１の実験結果であり、●は、パッケージ２内の水分濃度を２５００ｐｐｍに設定した半導体レーザ装置１の実験結果である。

図４に示すように、パッケージ２内の水分濃度が約２５００ｐｐｍである半導体レーザ装置１の方が、水分濃度が約５０００ｐｐｍである半導体レーザ装置１よりも駆動電流の上昇率が小さいことがわかる。特に、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを約０．３μｍ以下とした場合、水分濃度が約２５００ｐｐｍの半導体レーザ装置１の駆動電流の上昇率が、水分濃度が約５０００ｐｐｍの半導体レーザ装置１の駆動電流の上昇率に比べて、より小さくなることがわかる。

例えば、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを約１．０μｍとした場合、水分濃度を約５０００ｐｐｍとした半導体レーザ装置１の駆動電流の上昇率（約５．４％）は、水分濃度を約２５００ｐｐｍとした半導体レーザ装置１の駆動電流の上昇率（約３．９％）の約１．４倍になった。

一方、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを約０．３μｍとした場合、水分濃度を約５０００ｐｐｍとした半導体レーザ装置１の駆動電流の上昇率（約４．８％）は、水分濃度を約２５００ｐｐｍとした半導体レーザ装置１の駆動電流の上昇率（約２．７％）の約１．８倍になった。

更に、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを約０．１μｍとした場合、水分濃度を約５０００ｐｐｍとした半導体レーザ装置１の駆動電流の上昇率（約４．１％）は、水分濃度を約２５００ｐｐｍとした半導体レーザ装置１の駆動電流の上昇率（約１．５％）の約２．７倍になった。

この結果、パッケージ２内の水分濃度を約２５００ｐｐｍとした半導体レーザ装置１は、パッケージ２内の水分濃度を約５０００ｐｐｍとした半導体レーザ装置１と比して、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを約１．０μｍとしたときの駆動電流上昇率が小さく、加えてキャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを小さくしたときの駆動電流上昇率の低減率が大きいことがわかる。

次に、本発明によるキャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを約０．３μｍに設定した半導体レーザ装置１と、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを約０．１μｍに設定した半導体レーザ装置１のそれぞれについて、パッケージ２内の水分濃度が異なる半導体レーザ装置１を作製した。それらの半導体レーザ装置１のそれぞれについて、７０℃に温度設定した状態で、５０ｍＷで３００時間出力させた。そして、駆動時間が０時間の時の駆動電流を基準として３００時間後の駆動電流の上昇率（％）を調べた。その結果を図５に示す。尚、図５において、白い四角は、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを約０．３μｍに設定した半導体レーザ装置１の実験結果であり、黒い四角は、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを約０．１μｍに設定した半導体レーザ装置１の実験結果である。

図５に示すように、３００時間、半導体レーザ素子４を駆動させた場合でも、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを約０．１μｍに設定した半導体レーザ装置１の方が、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを約０．３μｍに設定した半導体レーザ装置１よりも駆動電流の上昇率が低いことがわかる。特に、パッケージ２内の水分濃度が低い場合に、駆動電流の上昇率の差が顕著に現れることもわかる。

例えば、パッケージ２内の水分濃度を約１００００ｐｐｍとした場合、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを約０．３μｍとした半導体レーザ装置１の駆動電流の上昇率（約９．７％）は、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａが約０．１μｍの半導体レーザ装置１の駆動電流の上昇率（約７．７％）の約１．３倍になった。

一方、本発明によるパッケージ２内の水分濃度を約２５００ｐｐｍとした場合、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを約０．３μｍとした半導体レーザ装置１の駆動電流の上昇率（約１．８％）は、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａが約０．１μｍの半導体レーザ装置１の駆動電流の上昇率（約０．９％）の約２．０倍になった。

この結果、本発明のようにパッケージ２内の水分濃度を低くした（約２５００ｐｐｍ）半導体レーザ装置１の方が、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを小さくすることによる効果が大きいことがわかる。

以下において、パッケージ２内の水分濃度を約２５００ｐｐｍ以下とするとともに、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを０．３μｍ以下とすることによって、半導体レーザ装置１の駆動電流の上昇率を抑制できる理由について検証した。

表３は、パッケージ２内の水分濃度の初期値とキャップ１１の内面の算術平均粗さＲａとの関係において、連続通電（７０℃、５０ｍＷ×３００時間）後におけるパッケージ２内の水分濃度の増加量を示している。

図６は、表３で示された値を座標軸上にプロットしたグラフである。なお、図６において、縦軸は、連続通電後における水分濃度の増加量を示しており、横軸は、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを示している。

表３及び図６に示すように、パッケージ２内の水分濃度の初期値が５０００ｐｐｍである場合には、算術平均粗さＲａを小さくしたとしても、連続通電後における水分濃度の増加量が７５０ｐｐｍ以上となる。

これに対して、パッケージ２内の水分濃度の初期値が２５００ｐｐｍである場合には、算術平均粗さＲａを０．３μｍ以下とすれば、連続通電後における水分濃度の増加量が１５０ｐｐｍ以下となる。

同様に、パッケージ２内の水分濃度の初期値が２０００ｐｐｍである場合には、算術平均粗さＲａを０．３μｍ以下とすれば、連続通電後における水分濃度の増加量が７５ｐｐｍ以下となる。

このように、パッケージ２内の水分濃度の初期値を約２５００ｐｐｍ以下とするとともに、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを０．３μｍ以下とすることによって、連続通電後における水分濃度の増加量が抑制されることが確認された。

ここで、図４及び図５に示したように、パッケージ２内の水分濃度の初期値を約２５００ｐｐｍ以下とするとともに、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを０．３μｍ以下とすることによって、半導体レーザ装置１の駆動電流の上昇率が抑制される。これは、表３及び図６に示すように、連続通電後における水分濃度の増加量が抑制されるためであると考えられる。

さらに、パッケージ２内の水分濃度の初期値を約２０００ｐｐｍ以下とするとともに、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを０．１μｍ以下とすることがさらに好ましいことが確認された。これによって、パッケージ２内の水分濃度の初期値が低く、連続通電後における水分濃度の増加量も十分に抑制されるため、連続通電後における駆動電流の上昇を抑制することができる。また、連続通電後における駆動電流の上昇が十分に抑制されるため、半導体レーザ素子の信頼性がさらに向上する。

一方で、従来技術においても、半導体レーザ素子をパッケージ内に密封する際に、水分濃度を小さくして密封することは知られていた。しかしながら、従来技術では、半導体レーザ素子をパッケージ内に密封する際におけるパッケージ内の水分濃度について着目しているに過ぎなかった。

ここで、キャップ、ステムなどのように、パッケージを構成する各構成部材の内面に付着する水分は、半導体レーザ素子をパッケージ内に密封する際におけるパッケージ内の水分濃度に寄与していない。一方で、実際には、半導体レーザ素子の駆動によって生じる熱に起因して、パッケージの内面に付着した水分がパッケージ内に放出される。従って、半導体レーザ素子の駆動に伴って、パッケージ内における水分濃度が上昇し、半導体レーザ素子の劣化が生じると考えられる。

そこで、本発明では、半導体レーザ素子をパッケージ内に密封する際における水分濃度に着目するだけではなく、パッケージの内面の算術平均粗さＲａにも着目している。具体的には、本発明では、パッケージ２の内面の算術平均粗さＲａを小さくすることによって、半導体レーザ素子４をパッケージ２内に密封する際に、パッケージ２内の水分濃度に寄与せずにパッケージ２の内面に付着する水分を減らしている。これによって、半導体レーザ素子４を長時間にわたって駆動したとしても、パッケージ２内の水分濃度の増加を抑制することができ、半導体レーザ素子４の劣化を抑制することができると考えられる。

さらに具体的には、本発明では、パッケージ２内の水分濃度を約２５００ｐｐｍ以下とし、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａを約０．３μｍ以下としている。従って、本発明によれば、水分の影響に因る半導体レーザ素子４の駆動電流上昇率低減の効果をより一層高めることができるので、長時間にわたって安定して特性を有する半導体レーザ装置１を提供することができる。

尚、以上の実施形態では半導体レーザ素子４として青色・青紫色半導体レーザ素子を用いた半導体レーザ装置１について説明したが、本発明はこれに限らす、半導体レーザ素子として赤色半導体レーザ素子や、赤外半導体レーザ素子等の他の発光波長を有する半導体レーザ素子を用いた半導体レーザ装置でも同様の効果を奏する。

また、これらの種々の発光波長を有する半導体レーザ素子のうち、特に短波長の発光波長を有する半導体レーザ素子を用いた半導体レーザ装置に用いた場合に、本発明は特に著しく優れた効果を奏する。

半導体レーザ素子として約７８０ｎｍの発光波長を有する赤外半導体レーザ素子、約６６０ｎｍの発光波長を有する赤色半導体レーザ素子及び約４０５ｎｍの発光波長を有する青紫色半導体レーザ素子の３種類の半導体レーザ素子を用いて夫々半導体レーザ装置を作製した。ここで、７８０ｎｍ帯の発光波長を有する赤外半導体レーザ素子は、ＡｌＧａＡｓ系半導体を含む発光層を有するように作製した。６６０ｎｍ帯の発光波長を有する赤色半導体レーザ素子は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体を含む発光層を有するように作製した。４００ｎｍ帯の発光波長を有する青・青紫色半導体レーザ素子は、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体を含む発光層を有するように作製した。そして、夫々の半導体レーザ装置に対して、水分濃度が約１００００ｐｐｍキャップ内面の算術平均粗さが約０．５μｍのときの駆動電流上昇率に対する、水分濃度が約２５００ｐｐｍ、キャップ内面の算術平均粗さが約０．３μｍのときの駆動電流上昇率の低減割合を調べた。その結果、赤外半導体レーザ装置、赤色半導体レーザ装置及び青紫色半導体レーザ装置における駆動電流上昇率の低減割合は、夫々約２８．６％、約３３．３％及び約６０．０％であった。このように、本発明の効果は半導体レーザ素子の発光波長が短くなるほど大きく、特に発光波長が約４０５ｎｍの半導体レーザ素子を用いた半導体レーザ装置にあっては、駆動電流上昇率の低減割合を６０．０％と、半分以下にまで低減することができた。従って、本発明は、ＡｌＧａＩｎＮ系の半導体を含む発光層を有する青・青紫色半導体レーザ素子を用いた半導体レーザ装置に、特に有効である。

また、斯かるＡｌＧａＩｎＮ系の半導体を含む発光層を有する青・青紫色半導体レーザ素子を用いた４００ｎｍ帯の半導体レーザ装置（特に、発光波長が４００ｎｍ〜４１０ｎｍのもの）は、今後ＨＤ ＤＶＤ用光ディスクやＢｌｕ−ｒａｙ用光ディスク等の大容量記録媒体へのデータ記録或いは再生用としての用途が検討されている。これらの大容量記録媒体への適用を考えた場合、半導体レーザ装置にはますます高い出力が要求される。

例えば、Ｂｌｕ−ｒａｙ規格では、１倍速記録には約５０ｍＷの光出力が要求され、２倍速記録には約７０ｍＷの光出力が要求され、４倍速記録には約１００ｍＷの光出力が一般的に要求される。

一方、ＨＤ ＤＶＤ規格では、同じ記録密度を達成するために、Ｂｌｕ−ｒａｙ規格の約２〜２．６倍の光出力が、一般的に要求される。具体的には、１倍速記録には１００ｍＷ〜１３０ｍＷ、２倍速記録には１４０ｍＷ〜１８０ｍＷ、４倍速記録には２００ｍＷ〜２６０ｍＷの光出力が要求される。

そして、記録・再生速度、記録密度が大きくなるほど半導体レーザ装置に要求される光出力は大きくなる。

さらに、上記ＡｌＧａＩｎＮ系の半導体を含む発光層を有する青・青紫色半導体レーザ素子を用いた４００ｎｍ帯の半導体レーザ装置（特に、発光波長が４３０ｎｍ〜４８０ｎｍのもの）は、ディスプレイ用光源としての用途も検討されている。この用途において、半導体レーザ装置には、好ましくは２００ｍＷ以上の光出力が要求され、さらに好ましくは１Ｗ〜３Ｗという極めて高い光出力が要求される。

そして、このように要求される光出力が高くなるほどますます前述した駆動電流上昇による悪影響が増大するので、駆動電流上昇率低減の要求がますます大きくなってくる。

図７は、発光波長約４０５ｎｍの窒化物系半導体レーザ素子を用いた半導体レーザ装置における、出力と１００時間駆動後の駆動電流上昇率との関係を示す特性図である。図中●印は、パッケージ内部の水分濃度を約２５００ｐｐｍとし、キャップ内面の算術平均粗さを約０．３μｍとした本発明に係る半導体レーザ装置の駆動電流上昇率を示し、○印は、比較用として作製した、パッケージ内部の水分濃度が約５０００ｐｐｍ、キャップ内面の算術平均粗さを約０．５μｍとした半導体レーザ装置の駆動電流上昇率である。

図７に示すように、本発明によれば１５０ｍＷの出力でも１００時間経過後の駆動電流上昇率を約６％以下に低減することができることがわかる。これに対し、比較用の半導体レーザ装置では、光出力の増大に対する駆動電流上昇率の増加割合が本発明のものに比して大きく、１５０ｍＷの出力では駆動電流上昇率は約１５％と、本発明の約３倍に上昇することがわかった。

以上のことから、本発明は、特に５０ｍＷ以上の出力が要求される、ＨＤ ＤＶＤ用やＢｌｕ−ｒａｙ用等の将来の大容量記録・再生用に用いられる青・青紫色半導体レーザ装置にとって、特に顕著な効果を奏する。

さらに、本発明は、２００ｍＷ以上の光出力が要求される、ディスプレイ用光源としての半導体レーザ装置にとって、さらに著しい効果を奏する。

以上、上記実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更形態として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。

例えば、上述したキャップ１１を構成する材料などは適宜変更可能である。そして、キャップの材料を変更した場合、化学研磨処理や電解研磨処理の方法等を適宜変更することが望ましい。また、上記実施形態の製造工程では、化学研磨処理と電解研磨処理の両方を行ったが、表面の算術平均粗さＲａを０．１μｍ以上にする場合には、いずれか一方の処理を行うことでも可能である。

また、上記実施形態では、キャップ１１の内面の算術平均粗さＲａのみを０．３μｍ以下にしたが、ステムを含むパッケージの内面全ての算術平均粗さＲａを０．３μｍ以下にしてもよい。

また、上記実施形態では、水分濃度を減少させるために封止室内のベーキングを行ったが、窓部材１２が固着されたキャップ１１と、サブマウント３及び半導体レーザ素子４が半田によって固着されたステム１３とを紫外線照射することによって、水分濃度を減少させてもよい。例えば、１００℃の空気又は酸素の雰囲気中で、３０分間、水銀ランプによる紫外線を照射することによって水分濃度を減少させることができる。

このように紫外線を照射することによって、半導体レーザ素子４をサブマウント３に粘着物によって固定した場合に、粘着物を分解及び除去することができる。これによって、粘着物に含まれる水分を除去することができるので、パッケージ２内の温度上昇に伴う水分濃度の上昇を抑制することができる。更に、粘着物に含まれる材料が、半導体レーザ素子４から照射される青紫色光によって化学反応することを抑制することができるので、半導体レーザ素子４の素子劣化をより抑制することができる。尚、封止室のベーキングと紫外線照射の両方を行ってもよい。

また、上記実施形態では端面コート４ｂをＳｉＯ_２から構成したが、これに限らずＮｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＢＮ、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＡｌＮ、及びＳｉＮ等の誘電体膜からなる単層膜、あるいはＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２（ＳｉＯ_２が素子側）、ＳｉＯ_２／ＡｌＮ（ＳｉＯ_２が素子側）等、これらの材料から複数の材料を選択して構成されている多層膜を用いることができる。

本発明の実施形態に係る半導体レーザ装置の全体構成図である。 表面の所定の領域の凹凸の模式図である。 電解研磨処理装置の概略図である。 半導体レーザ装置の駆動電流上昇率とキャップの内面の算術平均粗さとの関係を示すグラフである。 半導体レーザ装置の駆動電流上昇率とパッケージ内の水分濃度との関係を示すグラフである。 パッケージ内の水分濃度の初期値とキャップの内面の算術平均粗さとの関係において、連続通電後におけるパッケージ内の水分濃度の増加量を示すグラフである。 波長約４０５ｎｍの窒化物系半導体レーザ素子を用いた半導体レーザ装置における、出力と１００時間駆動後の駆動電流上昇率との関係を示す特性図である。

符号の説明

１ 半導体レーザ装置
２ パッケージ
３ サブマウント
４ 半導体レーザ素子
４ａ 端面コート
４ｂ 端面コート
１１ キャップ
１１ａ 開口部
１２ 窓部材
１３ ステム

Claims (6)

1. 気密封止するためのパッケージと、前記パッケージ内に設けられた半導体レーザ素子とを備えた半導体レーザ装置において、
   前記パッケージは、前記半導体レーザ素子が搭載されたステムと、
   前記ステムに溶接により接合され、開口部を有するキャップと、
   前記開口部を塞ぐように設けられた窓部材とを備え、
   前記キャップは、Ｆｅ及びＮｉを含む合金からなり、
   前記パッケージの内部の水分濃度が、２５００ｐｐｍ以下であり、
   前記パッケージの内部空間に露出された前記キャップの内面の少なくとも一部の算術平均粗さが、０．３μｍ以下であることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記パッケージの内面の少なくとも一部の算術平均粗さが、０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記半導体レーザ素子は、ＡｌＧａＩｎＮ系半導体を含む発光層を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記半導体レーザ素子は、５０ｍＷ以上の出力で駆動されることを特徴とする、請求項３記載の半導体レーザ装置。
5. 前記キャップは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含むコバールからなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
6. 前記キャップの内面に、Ｎｉ／Ａｕがメッキされている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
   

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